基于可持续利用的能源生态链

[摘 要] 能源作为一种重要资源，其循环利用是经济可持续发展的基础。以能源持续利用中“废弃物处理”为重点，采用演化博弈方法建立上、下游企业的“复制动态”模型，对生态系统中企业生态链接机制进行了分析，得出了影响生态系统中企业“生态型演化”的影响因素，为建立能源可持续利用的生态链接提供了理论依据。

[关键词] 能源持续利用 生态系统 复制动态模型

能源作为一种重要资源，其循环利用是经济可持续发展的基础。能源企业的“排泄物”通过系统循环，再生为其他企业的“可利用资源”是解决环境污染与资源短缺的重要途径。因此，能源企业与其下游企业之间形成相互依存、能源再生利用的“食物链”，具有重要的现实意义。

能源“食物链”形成的关键在于构建区域内能源企业与其它企业之间的生态系统，依据生态学基本原理，以能源循环利用为宗旨，建立两个以上企业的链接关系，如上游的能源企业将生产后的废弃物进行无害化和原料化处理，形成下游企业的可用原料，下游企业优先利用来自上游能源企业废弃物经无害化处理后形成的原料。这种区域内以资源依赖形成的生态系统本质上是经济集群。经济集群是相关产业中相互依赖、相互合作、相互竞争的企业在地理上的集中，其基本特征是集群企业完全是以经济利益的获取为出发点，且具有经济资源上的依赖性。在集群基础上，形成了类似于生物界“食物链”的生态系统，在循环经济模式下实现自我发展。所以，借助源于生态学的演化博弈方法，将相互依赖的企业看作一个生态系统，研究企业间关于能源循环利用的链接机制，具有十分重要的理论意义。

近年来，关于能源方面的研究大都集中讨论能源使用效率问题，缺乏从数理逻辑角度研究能源循环利用的影响因素。本文通过提出一些必要的假设前提，借助演化博弈方法，构建企业间基于能源可持续利用的数理模型，对能源循环利用的影响因素进行动态分析，并进一步探索这些因素对企业进行资源持续利用行为不断改进，从而达到最优均衡的作用机理。

一、基本假设

处于同一个生态系统的企业之间以能源为基础的循环利用过程中，由于有限理性，关于废弃物处理行为不可能一次找到最优均衡点，而是一个动态的、不断演化的过程，废弃物处理的最优策略是通过不断模仿和修正过去本企和其他企业的最优策略而得到改进的。所以，企业之间关于废弃物处理最优策略可以用演化博弈方法来描述。由于能源持续利用的生态系统具有复杂性和实际执行中企业具有理性的特征，为了分析方便，有必要进行一些假设和理论上的简化。由于基于能源相互依赖性的上、下游企业各自独立进行生产决策，因此，可以把“能源持续利用的生态系统”问题描述为双方同时进行决策、反复进行的静态博弈。能源持续利用的企业生态系统可以简化为：对企业生态链上游能源企业生产的废弃物无害化和原料化处理，究竟是归属于上游企业的生产边界内，还是归属于下游企业的生产边界内，该问题直接决定由哪一方支付废物处理成本。本文研究的能源持续利用的企业生态系统链接主要指废弃物的循环模式，同一生态系统的生产边界如图1所示，其中，虚线框内表示下游企业生产边界。

为了研究问题的方便，本文将同一生态系统中的所有企业分为两类：一类是与其他企业形成能源循环利用的生态链接关系的企业，另一类是与其他企业没有形成生态链接关系的企业。在同一条生态链上的上、下游企业，在有关上游能源企业生产废弃物处理的问题上，双方都有事关自身利益考虑的两种策略：合作与不合作。假设上游企业的合作行为表现为对自己的“排泄物”加以无害化和原料化处理，为此，它需要支付单位处理成本a，否则被视为不合作；而下游企业的合作行为是把上游企业的废弃物作为自己企业原料的来源，因而，它需要付出每单位大于a的购买成本r。若从生态系统以外购入原料，其单位价格为大于r的ι，否则被视为不合作。另外，假如上游企业不愿处理自身的废弃物，同时下游企业因生产需要加以购买的话，则下游企业必须付出小于a，且小于r的单位采购成本π，同时，自己还要处理这些废弃物用来做生产原料，这样，下游企业还要支付每单位a的处理成本。基于这些假设条件，构造能源持续利用生态系统上、下游企业的合作博弈支付矩阵如下表1。

二、上游和下游企业演化博弈分析

假设最初生态系统中具有合作意识，并且付诸实际行动的企业比例为x（0≤x≤１），则无合作意识或者没有实际合作行为的企业比例为1-x。所以上游企业选择“合作”、“不合作”策略的期望收益和平均收益分别用u1Y、u1N和表示，则根据Friedman(1991)有：

u1Y=x(r-a)-(1-x)a（1）

u1N=xπ+(1-x)0=xπ（2）

=xu1Y+(1-x)u1N=x[x(r-a)+(1-x)(π-a)]（3）

因此，上游企业选择“合作”策略的复制动态方程为：

（4）

同理，下游企业选择“合作”策略的复制动态方程为：

（5）

式（4）和（5）描述了能源持续利用生态系统动态。由式（4）可知，合作型的上游企业比例的变化率与某一时点上该类型企业的比例成正比，与该类型企业的期望收益大于所有企业平均收益的幅度成正比。某一初始时刻的合作类型上游企业的比例x取值区间为时，成立，合作类型的上游企业比例在生态系统中达到一定规模，由于生态链接获得的经济利益较明显，其示范效应得到加强，该类合作型“种群”持续递增，最终以的概率收敛于x=1处。当x=1时，，；且当x

当x取值范围为时，，具有合作类型的上游企业“种群”会呈现递减的趋势，并且 点为动态变化的最终稳定点，也就是说，这类上游企业会在生态系统中消失。值得注意的是，根据表1所构造的上、下游企业博弈得益矩阵，(上游企业不合作，下游企业合作)和(上游企业不合作，下游企业不合作)策略都不是Nash均衡。合作类型的上游企业的消失原因：一是下游企业在原材料上确实依赖于上游企业，虽然上游企业不对废弃物进行处理，但只要有ι>r>π+a成立，下游企业就可以接受；二是这种具有“合作意愿”的上游企业的比例不充分，很难在群落中起到示范效应，由于企业相互之间并不清楚彼此的成本状况，所以会因废弃物处理成本而阻挠上游企业进行废物无害化、原料化处理，没有意识到与其他企业缔结生态链的经济价值。

由式（5）可知，因为r-π＞a，π+arι，所以，对于下游企业而言，只要r-π>a和ι>r两个条件成立，从上游企业购入由废料处理来的生产原料，或是直接购入废料都是经济可行的。无论最初时刻x落入(0,1)区间的任何点处，一旦有这种合作型下游企业“种群”出现，其复制动态就会最终收敛于x=1处，当x=1时，，且x

因此，复制动态变化的结果是生态系统中所有的下游企业会演进为合作类型企业。因为，无论上游企业的策略选择如何，只要在生态系统内部解决生产原料供应问题就有利可图，下游企业则不会采纳外部市场供应策略。而在生态系统中，只要这类合作企业出现，其原料采购行为容易被其他企业观测到，因而模仿效应随之产生。同时，该博弈唯一的Nash均衡是（上游企业合作，下游企业合作），即选择合作是下游企业的最优策略。

三、政府行为的影响

在以上企业具有理性假设条件下，用数量生态学中“复制动态”模型对处在同一生态系统中的相关联的上、下游企业间如何构造生态链接机制进行了研究，但是没有涉及到生态系统中有关环境法规的影响作用，现在引入政府法规因素，考察企业生态化运作的学习进程是否受到影响。

引入环境法规因素后，企业的经济行为激励机制相应地发生改变，上、下游企业协调博弈得益矩阵中，上游企业不合作、下游企业不合作的得益情况由(0,0)改变为(-m,0)，如表2所示。即如果上游企业不对自身废弃物进行处理，下游企业不予购买的话，上游企业必须按照环境法规要求，支付环境税以纠正由于产生废弃物对环境造成的负外部性影响。在此，上游企业需交纳每单位废弃物的环境税m。

相应地，合作类型上游企业的复制动态微分方程将变为：

（6）

因为r-π>a，所以，，且r-π-m>0。按照a-m≤0，a-m>0两种情况分析，有两种不同的合作类型企业“种群”，当a-m≤0时，意味着环境税的征收额m超过了对废弃物进行无害化、原料化处理的成本a，或与之持平。只要出现合作类型企业的示范，不论规模多大，该企业“种群”复制动态会收敛于x=1，即所有的上游企业，在高额环境税的制约下，最终会演进为生态化运作，和下游企业构建生态链接的企业“种群”（增加废弃物处理设备和流程）。当a-m>0时，虽然仍有的可能性使得上游企业收敛于非合作类型企业，但这种可能概率要小于没有环境税存在情况下的可能概率，即。

这说明环境税约束的存在促进了上游企业向生态合作类型的企业“种群”转化。另外，一旦当合作类型企业比例x落入区间内，企业会以一个较大的概率向生态企业“种群”演化。

同时，也说明了在a-m＞0条件下，部分企业宁愿选择交费排放废弃物，而不愿承担废弃物处理工作，将之视为一种经济负担，看不到这项工作带给自己的利益。这说明了在最大化自身利益的考虑下，有限理性企业决策有时是会偏离均衡路径。

四、结束语

本文从生态学视角，结合演化博弈论方法， 对生态系统中基于能源持续利用的生态链接机制形成做了尝试性研究。在企业的决策属于存在有限理性决策、企业对自身废弃物的处理只存在外循环而不涉及自循环两个重要前提假设下，得出如下结论：

1.在存在以能源持续利用为基础的生态系统中，企业之间存在着相互构建生态链接的“自我形成机制”，而且，形成速度以及最终规模与生态系统中已有的“生态型”企业比例高度相关。当“生态型”企业比例较高时，其生产的成本优势能很好地被其他企业观测到，因此，生态系统中的模仿效应增强，最终“生态型企业种群”将蔓延至整个生态系统。但在有限理性假设条件下，生态系统中企业的“生态型演化”呈现出渐进性特征。这就是为什么近年来各地建设生态园区的原因。生态园区中的企业之间相互进行着副产品交换，从而提高了原料、能源的使用效率，最大限度地减少了环境污染。政府推行建立具有生态链接特征的产业群，其目的就是为整个社会的产品和服务生产起到示范作用。

2.上、下游企业之间，究竟谁的生产边界中应包括废弃物处理，从各自利益考虑，具备生态关联的上、下游企业行为偏好是有差别的。在依靠上游企业废弃物获取原料被视为有利可图的前提下，下游企业不论上游企业是否对废弃物进行无害化、原料化处理，都有意愿采取“合作”的态度，并进行购买；而上游企业的情况则要复杂一些，生态系统中的“合作型”上游企业的比例、示范效应、下游企业原料依赖程度等都决定着上游企业的策略选择。

3.旨在纠正上游企业排放废弃物所产生负外部性影响的环境税，能够促进上游企业向生态型企业转变，尤其当单位排放费用超过企业的单位废物治理成本时，所有上游企业最终会演进至与下游企业构建生态链接的生态型企业。这从一个侧面反映了环境税在激励企业增设废弃物处理设施、抑制公害方面所表现出的强劲作用。

4.就工业原料、能源方面的“生态”链接而言，生态系统中每一个企业都存在着两种角色： 作为能为其他企业提供原料的上游企业和需要从其他企业的废料中获取原料的下游企业。把一个抽象的企业分成两种独立的角色，以此对生态系统中的企业生态链接关系进行研究，能够更简洁、清楚地对问题予以剖析，使关心企业生态系统建设的人们能够看到生态链接这个核心问题的本质。

参考文献:

[1]徐建中 刘淼群:循环经济模式下的油气资源利用分析[J].学习与探索，2007，(6):164～166

[2]马云峰:绿色供应链管理条件下企业对环境影响评价研究[J].山西大同大学学报，2007, 23(2):48～51

[3]魏晓平 李 昆:基于“复制动态”进化博弈理论的生态工业链接研究[J].中国工业经济，2005，(12):49～55

[4]王 虹 叶 逊:生态工业园中企业的动力机制分析[J].企业环保，2005，(7):72～75

[5]徐大伟 王子彦 李亚伟:基于工业代谢的工业生态链梯级循环物质流研究[J].环境科学与技术，2005，28(2):43～45

[6]Friedman D. Evolutionary games in economics[J].Econometrica，1991，(9):637～666

[7]李 广 李 健:循环经济模式下的资源利用问题分析[J].天津理工大学学报，2006，(6):49～51

[8]Hagel J & Singer M. Unbundling the corporation[J].Harvard Business Review, 1999, 77(2):133～141

[9]赵中伟 邵来安:小企业集群竞争优势形成机理与地方政府促进发展的措施[J].经济问题探索，2002，(10):23～29

[10]马云峰 郭丕斌:应对煤炭资源危机促进中国经济可持续发展的策略[J].生产力研究, 2008